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多旋翼飞行器的(de)旋翼数量是由什么决定的?

 

决(jué)定多旋翼飞行器旋翼个(gè)数(shù)的,就是飞行器稳定性、几何尺寸和单(dān)发动(dòng)力性能三者的平(píng)衡。

先(xiān)说稳定(dìng)性的影响。基本(běn)上,我们可以认为(wéi)多旋翼飞行器(qì)的稳(wěn)定性里,八(bā)旋翼>六旋翼>四旋翼。原因当然好(hǎo)解释,对于一个运动特性确定的飞(fēi)行器(qì)来说,自(zì)然(rán)是能(néng)参与控(kòng)制的量越多,越容易得到好(hǎo)的控制(zhì)效果(guǒ)。四旋翼(yì)飞行器尚且是一个欠驱动系统。六旋翼(yì)飞行器的时候就(jiù)已经是一个完全驱动系统了。复杂了是一回事,但是如果能获得比较好的效果,也是值得的。

另(lìng)外一个不容易注意到的(de)好处是,旋翼数量(liàng)较多的时候(hòu)飞(fēi)行(háng)器对于动(dòng)力系统失效的容忍程度也会上升。毕(bì)竟多发飞行(háng)器一台发(fā)动机(jī)突然失效不是很罕(hǎn)见的情况。模型级别的飞(fēi)行器,射桨也是常有的事。在这种情(qíng)况下,八旋翼和六旋翼都可(kě)以(yǐ)承受双发/单发失效的状况(kuàng),并且飞行(háng)器仍然可控。而如果是(shì)四(sì)旋翼飞行器的话,只要单发失效,除非旋翼上有周期变(biàn)距,否则唯一的选(xuǎn)择就有摔机了。(可你(nǐ)为(wéi)什(shí)么要在四旋(xuán)翼上装周期变距呢?)

但旋翼的数量增加以后,会对飞行器的几何尺(chǐ)寸带来(lái)负面影响。

因为旋翼数多了,自(zì)然每个旋翼之间的距离也会缩减。四轴飞行器每(měi)隔90度放置一个(gè)旋翼(yì),六轴飞(fēi)行器(qì)每(měi)隔60度(dù)放置一个(gè)旋翼,八轴(zhóu)飞行(háng)器每隔45度放(fàng)置一个旋(xuán)翼。假设相(xiàng)同拉(lā)力时几个旋翼的桨盘总(zǒng)面积相同(这(zhè)个并不(bú)准确,但可以作为大概的参考),很容易得出几种(zhǒng)结构形式需(xū)要的旋翼直径。

同样,多旋翼的旋翼位置在设计时也不能相互干(gàn)涉。因此也很容易得(dé)出几种结(jié)构形式(shì)中(zhōng)旋(xuán)翼中心距离飞行器(qì)几何中心距(jù)离(lí)。

很容(róng)易(yì)看出(chū)来,相(xiàng)比较(jiào)旋翼直径的缩小,旋翼中心与(yǔ)飞(fēi)行器几何中心的(de)距离增(zēng)加得(dé)更快。因此(cǐ)很不幸的,旋(xuán)翼的数(shù)量越多,飞行器(qì)的(de)尺寸也就会(huì)做得越大。

而且,旋翼越多,多旋翼飞行器的折(shé)叠收纳就越是问题。六旋翼尚且可以折叠,八旋翼(yì)就(jiù)一点办法也没有。即(jí)使是简单(dān)的拆掉旋翼支(zhī)臂,旋翼数越多在现场组装需要花的时间也(yě)就(jiù)越多。而且,由于(yú)多旋翼飞行(háng)器有旋翼安装顺(shùn)序的要求。要安装的旋翼越(yuè)多就(jiù)意味着潜藏的出错可能越高。也因(yīn)此(cǐ),诸如军队等地方实际使用的多旋翼(yì)飞行器,几乎(hū)无例外都(dōu)是四旋翼的形式。

但如果你可以使用的动力组合(hé)单发(fā)动力性能有限,使用四轴的构型(xíng)根本(běn)无法把设计起飞重量飞起来的话,呵呵(hē),之前我说的那些就当没说好了……要么老老实实增加旋翼(yì)个数,要(yào)么,只(zhī)好改(gǎi)方案了。

说(shuō)到这里,可能(néng)会有人说:不(bú)是有那种上下叠层的多旋翼飞行器么?就是在一个支臂上(shàng)同时放置(zhì)一组共轴反桨的动力组,这样的话(huà)不(bú)就(jiù)可(kě)以做到旋翼个数增加,却(què)不增加飞行器尺寸的效果么?如同下(xià)面(miàn)的这种形式(shì):这个点子看起来不错。但有个重要的缺点是,共轴反桨的(de)那上下一对旋翼的气流会(huì)相互干(gàn)扰,从而影响这一(yī)对动力组合的(de)效率。简单地说,就会导致这一对旋翼的拉力不(bú)是1+1 = 2,而是1+1 <2的糟糕(gāo)结果。至于具(jù)体会损失多少,大约是20%的样子。因此这么算下来的(de)话,其实这种构型能获(huò)得(dé)的提升很有限,还增加了结(jié)构的复杂程度。所以除非对飞行器尺寸有很(hěn)严格的要求,一般很少(shǎo)会采用这样的设计(jì)方式。

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